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  近日，馬里蘭大學(xué)胡良兵教授和科羅拉多大學(xué)楊榮貴教授等人展示了由木材直接制造的纖維素納米纖維卓越的熱管理能力。這一材料表現(xiàn)出的各向異性的熱性能，在橫向上（垂直于納米纖絲）熱導(dǎo)率極低，為0.03W / m·K，在軸向上的熱導(dǎo)率約為橫向的兩倍，0.06W / m·K。導(dǎo)熱率的各向異性使得納米材料能夠沿著軸向有效地散熱，同時(shí)在橫向上產(chǎn)生絕熱。此外，納米材料在太陽(yáng)光譜上表現(xiàn)出低于5％的發(fā)射率，并且能夠有效地反射太陽(yáng)熱能。該成果以“Anisotropic, lightweight, strong, and super thermally insulating nanowood with naturally aligned nanocellulose”為題發(fā)表于期刊Science Advance上。論文的第一作者為李恬博士。

圖1 可用作各向異性超級(jí)絕熱體的納米材料

（A）納米材料的絕熱性能示意圖。

（B）納米材料對(duì)于建筑隔熱應(yīng)用的相應(yīng)特性。

圖2 納米材料的結(jié)構(gòu)表征

（A）納米材料中排列的無(wú)定形木質(zhì)素和半纖維素被去除前后的納米纖絲示意圖。

（B）天然木材和納米材料中木質(zhì)素、半纖維素和纖維素的濃度。

（C）納米材料的樣品照片。

（D）原纖維聚集體的分層結(jié)構(gòu)排列，納米材料展現(xiàn)出大孔隙率。

（E）微小孔隙和納米材料內(nèi)部排列通道的側(cè)視SEM圖像。

（F）由排列的納米纖絲組成的多孔通道壁的SEM圖像。

（G）納米通道的俯視SEM圖像。

圖3 納米材料的橫向和軸向熱傳遞

（A）軸向傳熱：沿著木材細(xì)胞壁的熱傳導(dǎo)。

（B）橫向傳熱：通過細(xì)胞壁和中空通道（即原纖維壁內(nèi)的內(nèi)腔和納米孔）的熱傳導(dǎo)。

（C）從室溫到65°C測(cè)量納米材料的熱導(dǎo)率。

（D）從室溫到80°C測(cè)量原始木材的熱導(dǎo)率。

（E）室溫下天然木材和納米材料的熱導(dǎo)率的比較。

圖4 納米材料的表征

（A）現(xiàn)有絕熱材料的導(dǎo)熱率比較。納米材料表現(xiàn)出非常低的橫向熱導(dǎo)率和高各向異性。

（B）與導(dǎo)熱系數(shù)小于0.05 W / m·K的其他材料以及天然椴木相比，納米材料的機(jī)械性能。

（C）大塊納米材料和薄且可卷曲的納米材料，箭頭指示對(duì)齊方向。

（D）納米材料的反射率。

（E）用波長(zhǎng)為820nm的激光照射時(shí)，天然木材和納米材料的紅外圖像。

（F）（E）中樣品的溫度曲線。

圖5 與二氧化硅氣凝膠、聚苯乙烯泡沫塑料和天然木材相比，納米材料的隔熱性能

（A）1mm厚的納米材料樣本。

（B）由排列的纖維素納米纖絲組成的納米材料通道的SEM側(cè)視圖。

（C）在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模擬器照射下，二氧化硅氣凝膠和納米材料的光學(xué)反射、透射和吸收。

（D）橫向（垂直于納米纖維）照射的納米材料。

（E-F）頂面通過導(dǎo)熱膏直接與導(dǎo)電熱源接觸，絕熱體背面的溫度。

（G）使用輻射熱源（太陽(yáng)模擬器）進(jìn)行測(cè)量的示意圖。

（H-I）頂面接收來(lái)自太陽(yáng)模擬器的輻射能量，不同絕熱體背面的溫度。

  研究開發(fā)的納米材料表現(xiàn)出獨(dú)特的各向異性熱性能，具有0.03W / m·K的低橫向熱導(dǎo)率以及2倍高的軸向?qū)崧?0.06W / m·K。納米材料還具有以下獨(dú)特性質(zhì)：（i）由于纖維素纖維葡聚糖鏈的結(jié)晶排序，使其具有高達(dá)13MPa的機(jī)械強(qiáng)度，比纖維素泡沫高約50倍，比目前商用的最強(qiáng)絕熱材料高30倍；（ii）低質(zhì)量密度; （iii）400-1100nm的低吸收率;（iv）資源豐富，可持續(xù)使用且成本較低。這一納米材料有望應(yīng)用于節(jié)能建筑，空間的絕熱應(yīng)用以及電氣設(shè)備絕緣。

  論文鏈接：http://advances.sciencemag.org/content/4/3/eaar3724.full